專利名稱：降壓型dc－dc變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及降壓型DC-DC變流器，尤其涉及能夠在寬的輸入電壓范圍中取出穩(wěn)定的電壓的降壓型DC-DC變流器。
背景技術(shù)：
已經(jīng)公知的降壓型DC-DC變流器使用切換元件使輸入電壓斷續(xù)來將其變換成低于輸入電壓的直流電壓。例如，特開平5-91732號公報(文獻1)所公開的降壓型DC-DC變流器使用N溝道型FET作為切換元件，將在該FET(FETField effect transistor場效應(yīng)晶體管)斷開期間在電抗器中所蓄積的能量產(chǎn)生的電壓與輸入電壓相加，提供給FET驅(qū)動用的PWM(PWMPulse-width modulation脈寬調(diào)制)驅(qū)動電路。
而且，特開平8-33322號公報中公開的降壓型DC-DC變流器設(shè)有對應(yīng)于作為半導(dǎo)體開關(guān)的P溝道型FET的接通/斷開進行充放電的電路，在該充放電電路的充電電壓示出異常值時停止輸出，以便能夠可靠地防止過壓。
如上所述，以往，使用N溝道型或P溝道型FET作為降壓型DC-DC變流器的切換元件。在驅(qū)動N溝道型FET的情況下，為了向柵極施加比作為電源電壓的漏極電壓高的電壓，必須有上述文獻1中所記載的升壓電路。
與此相對，P溝道型FET由于只要使柵極的電壓低于源極就可以驅(qū)動，因此電路結(jié)構(gòu)比較簡單。
但是，在FET的結(jié)構(gòu)上，難以制作出比N溝道型FET具有良好接通特性和切換特性的P溝道型FET，并且存在耐壓低和電流容量低的傾向，因此不能作出特性良好的電路。
尤其是，在輸入電壓變動的用途中要求良好的動作時是不夠的。例如，在使用反沖起動器進行起動操作的發(fā)動機發(fā)電機中使用的降壓型DC-DC變流器中，必須在低旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)開始發(fā)動機控制，在起動后也必須與高發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生的發(fā)生功率相對應(yīng)。作為一例，對降壓型DC-DC變流器的輸入電壓在5～450伏(V)的范圍內(nèi)變動，但在使用N溝道FET的電路中，根據(jù)這樣的電壓范圍的輸入來構(gòu)成發(fā)動機發(fā)電機的控制電源是非常困難的。
并且，為了從發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)低且DC-DC變流器不能輸出最大的電壓的早期開始最大限地取出發(fā)電機的輸出電壓，要求使FET為接通狀態(tài)(實質(zhì)性的100％占空比)。但是，在以往的N溝道FET驅(qū)動方式中，因為在FET斷開的期間對升壓電路進行充電，因此必須有FET的斷開期間，不能夠以100％占空比來驅(qū)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠確保穩(wěn)定的輸出電壓，并且結(jié)構(gòu)簡單，電壓上升特性良好的降壓型DC-DC變流器。
為了達到上述目的，本發(fā)明的第1特征在于，具有開關(guān)單元，由連接直流電源的至少一個MOS晶體管構(gòu)成；至少一個電抗器，在上述MOS晶體管接通期間利用直流電源充電；輸出用電容器，通過上述MOS晶體管和上述電抗器與上述直流電源連接，向負載供給電流；和脈沖寬度調(diào)制電路，輸入與該輸出用電容器的輸出電壓對應(yīng)的電壓，將預(yù)定占空比的脈沖信號加到上述MOS晶體管的柵極上，上述MOS晶體管是N溝道型，在上述直流電源的負極側(cè)和上述輸出用電容器的負極側(cè)之間順序串聯(lián)連接上述N溝道型MOS晶體管和上述電抗器，在上述直流電源的正極側(cè)和負極側(cè)之間提供施加到上述N溝道型MOS晶體管的柵極上的脈沖信號的電源。
并且，本發(fā)明的第2特征在于，上述脈沖寬度調(diào)制電路的脈沖信號是由與上述輸出用電容器的輸出電壓對應(yīng)的電壓形成的，通過絕緣電路將上述脈沖信號輸入給上述N溝道型MOS晶體管的柵極。
根據(jù)第1特征，能夠使用容易獲得良好的接通特性和切換特性的N溝道型MOS晶體管制作出具有良好的特性的電路。而且，由于將該N溝道型MOS晶體管設(shè)置在直流電源的負極側(cè)，所以不需要用于把高于輸入電壓的驅(qū)動電壓施加到柵極上的電路。
而且，在輸入電壓低于要求輸出電壓低時，可以以100％占空比來驅(qū)動MOS晶體管，可以大幅度地改善輸出電壓對輸入電壓的上升特性。
根據(jù)第2特征，可以用例如光電耦合器等絕緣電路調(diào)整N溝道型MOS晶體管的漏極側(cè)、輸出用電容器、N溝道型MOS晶體管的源極側(cè)的電位差異。


圖1是表示包括本發(fā)明的一實施方式的電源裝置的發(fā)動機發(fā)電機的主要部分的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖2是表示降壓變流器的基本結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖3是降壓變流器的具體的電路圖。
圖4是RCC的具體的電路圖。
圖5是表示電源電路的動作的流程圖。
圖6是表示發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)和發(fā)電機輸出電壓、降壓變流器的輸出電壓、以及RCC的輸出電壓的關(guān)系的圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的一實施方式進行詳細說明。圖1是表示使用了包括本發(fā)明的一實施方式的N溝道型MOSFET的電源裝置的發(fā)動機發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。作為發(fā)動機發(fā)電裝置，最好是，例如，不具備電池，或雖然具備電池，但具有在電池過放電的情況下可以通過手動來起動的反沖起動器。該發(fā)動機發(fā)電機具有發(fā)電機1、整流電路2、DC-DC降壓變流器電路3、自激振蕩型變流器(RCC)4及ECU5。發(fā)電機1由發(fā)動機進行驅(qū)動，例如在額定運轉(zhuǎn)狀態(tài)中輸出交流320V的3相交流。該3相交流由整流電路2進行整流，變成例如直流450V的電壓輸入到降壓型DC-DC變流器電路(以下，簡稱為“降壓變流器”)3中。降壓變流器3通過利用半導(dǎo)體開關(guān)的切換(switching)進行的占空比控制，將輸入的交流降壓為規(guī)定的直流電壓，例如40V。
降壓變流器3的輸出側(cè)與RCC4的一級側(cè)連接，RCC4的二級側(cè)與驅(qū)動發(fā)電機1的發(fā)動機的控制裝置即ECU5連接。這樣，將在發(fā)電機1中產(chǎn)生的3相交流整流，利用降壓變流器3降壓為例如40V，進而，在RCC4中作為例如15V的穩(wěn)定電壓的控制電源，提供給ECU5。
圖2是表示降壓變流器3的基本電路結(jié)構(gòu)的圖。該降壓變流器3是無變壓器的非絕緣型。圖中，在所述整流電路2的輸出側(cè)(電壓Vin)的正極側(cè)和負極側(cè)之間，設(shè)有輸入用電容器6、續(xù)流二極管7、輸出用電容器8、輸出電壓檢測用電阻9、10。
在直流電源的負極側(cè)和輸出用電容器8的負極側(cè)之間，串聯(lián)連接有N溝道型MOS-FET11和降壓用的扼流線圈(電抗器)12。為了向FET11的柵極施加電壓而設(shè)置了驅(qū)動電路13。驅(qū)動電路13輸出用于使FET11導(dǎo)通/截止(接通/斷開)的驅(qū)動信號。設(shè)有用于形成PWM信號(脈沖寬度調(diào)制信號)的PWM電路14，該PWM信號決定驅(qū)動電路13所輸出的驅(qū)動信號的占空比(接通時間比)。PWM電路14具有產(chǎn)生基準電壓(三角波)Vref的振蕩電路(詳細情況參照圖3)23，該基準電壓Vref決定PWM信號的占空比。設(shè)有將該基準電壓Vref和由電阻9、10分壓后的電壓進行比較的比較器15。
在由電阻9、10分壓后的電壓小于三角波的基準電壓Vref時，由于PWM電路14維持FET11的接通狀態(tài)，所以以100％的占空比輸出PWM信號。另一方面，在由電阻9、10分壓后的電壓大于三角波的基準電壓Vref時，PWM電路14以根據(jù)基準電壓Vref和電阻9、10的分壓所決定的不到100％的占空比輸出PWM信號。
根據(jù)從PWM電路14輸出的PWM信號，驅(qū)動電路13向FET11的柵極供給驅(qū)動信號，輸出用電容器8以與FET11的接通時間比相對應(yīng)的電壓充電。由輸出用電容器8平滑后的平均充電電壓為輸出電壓Vout。輸出電壓Vout與RCC4的一級側(cè)連接。
圖3是整流電路2及降壓變流器3的電路圖，圖4是表示RCC4的具體的電路圖示例，和圖1、圖2相同的符號表示相同和等同的部分。圖3中，整流電路2由二極管橋電路構(gòu)成。輸入用電容器6對由整流電路2整流后的發(fā)電機1的輸出進行充電和平滑，形成直流電壓。驅(qū)動電路13包括光電耦合器16、反相緩沖器17、形成反相緩沖器17的電源電壓的齊納二極管18和電容器19。當向反相緩沖器17供給電源電壓時，反相緩沖器17的輸出被供給FET11的柵極，F(xiàn)ET11接通。輸出用電容器8僅在FET11接通的期間充電。
光電耦合器16具有發(fā)光二極管20和光電晶體管21，發(fā)光二極管20的陰極與PWM電路14的比較器15的輸出側(cè)相連接。因此，在來自PWM電路14的PWM信號為接通的期間，發(fā)光二極管20被驅(qū)動，當光電晶體管21導(dǎo)通，反相緩沖器17的輸入反轉(zhuǎn)時，F(xiàn)ET11斷開。
光電耦合器16的發(fā)光二極管20由來自PWM電路14的PWM信號所激勵，根據(jù)該PWM信號的占空比決定光電晶體管21的接通時間比即FET11的占空比。
在代表輸出電壓Vout的電壓(由電阻9和10分壓)超過了振蕩電路23中形成的三角波的基準電壓Vref時，PWM電路14以不到100％的占空比輸出PWM信號。對由電阻9、10進行的分壓進行設(shè)定使得在輸出電壓Vout超過了規(guī)定值(例如40V)時輸出所述100％占空比的PWM信號，決定占空比使得輸出電壓總是限制在40V。
在圖4中，RCC4具有由一級側(cè)線圈24、25和二級側(cè)線圈26、27構(gòu)成的變壓器28。一級側(cè)線圈24、25與具有FET29、晶體管30、及光電晶體管31的自激振蕩電路連接。光電晶體管31和輸出側(cè)的齊納二極管32及發(fā)光二極管33一起，構(gòu)成將二級側(cè)控制為恒定電壓的反饋電路。
與RCC4的一級側(cè)連接的降壓變流器3的輸出用電容器8的充電電壓即輸出電壓Vout由電阻34a、34b及34c分壓后被施加到FET29的柵極上。當FET29接通時，電流流過線圈24，在線圈25中產(chǎn)生與繞線比相對應(yīng)的電壓。線圈25中產(chǎn)生的電壓使得電容器35的電壓上升，晶體管30接通。由于晶體管30接通FET29斷開。當晶體管30接通時，電容器35通過其基極進行放電，經(jīng)過規(guī)定時間后晶體管30斷開。由此，F(xiàn)ET29再次接通。
由于FET29斷開，在二級側(cè)的線圈26、27中產(chǎn)生與各自的繞線比對應(yīng)的電壓，輸出用電容器36、37被充電。當輸出用電容器37的電壓超過規(guī)定值(例如15V)時，發(fā)光二極管33被激勵(付勢する)，光電晶體管31接通。這樣，電容器35被充電，此時晶體管31以恒量接通，F(xiàn)ET29的柵極電壓降低，F(xiàn)ET29再次斷開。結(jié)果，在一級線圈24中無電流通過，在二級側(cè)上產(chǎn)生的電壓降低。
這樣，RCC4進行自激振蕩。并且，包括二級側(cè)線圈27的二級側(cè)電路的輸出電壓保持在規(guī)定值即15V。可以從二級側(cè)線圈26獲得與線圈27的輸出電壓不同的輸出電壓(例如17V)。
二級側(cè)線圈26、27的輸出電壓作為用于起動和控制發(fā)動機發(fā)電機的電源被使用。
利用流程圖來說明上述動作。在圖5中，在步驟S1開始發(fā)電，輸入電力。在步驟S2，把PWM電路14的占空比設(shè)定為100％。另外，這里的100％是指用于將FET11實質(zhì)性地維持在接通狀態(tài)的占空比，例如，也包括占空比在95％左右。通過將PWM電路14設(shè)定為100％占空比，當FET11實質(zhì)性地接通時，隨著發(fā)電機的輸出電壓的上升，輸出電壓Vout增大。在輸出電壓增大到大于等于規(guī)定值(例如40V)以前維持步驟S1，如果輸出電壓Vout增大到大于等于規(guī)定值，步驟S3為肯定，進入到步驟S4。在步驟S4，PWM電路14輸出占空比不到100％的PWM信號，驅(qū)動電路13根據(jù)該PWM信號切換FET11。即，控制切換的占空比使輸出電壓Vout維持在40V。
圖6示出發(fā)電機1的轉(zhuǎn)數(shù)和電壓的關(guān)系。圖中，電壓Vin表示發(fā)電機1的輸出電壓，電壓Vout表示降壓變流器3的輸出電壓，電壓VRCC表示包括RCC4的二級側(cè)線圈27的二級側(cè)電路的輸出電壓。如圖所示，隨著發(fā)電機1的轉(zhuǎn)數(shù)上升，電壓Vin增大，然而Vout與發(fā)電機1的轉(zhuǎn)數(shù)增大無關(guān)，通過占空比控制來將其限制在規(guī)定值(例如40V)，抑制其上升。并且，電壓VRCC通過RCC4的自激振蕩作用，穩(wěn)定在規(guī)定值(例如，15V)。
在電壓Vout達到規(guī)定值即40V以前RCC4開始動作，設(shè)定FET29的柵極電壓使電壓VRCC產(chǎn)生規(guī)定值即15V。如圖6所示，電壓VRCC在小于等于使電壓Vout達到40V的轉(zhuǎn)數(shù)的低轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)產(chǎn)生15V的穩(wěn)定電壓。這樣，由于自激振蕩型變流器具有變壓器的升壓功能，從而可以通過該升壓功能在低轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)得到超過電壓Vin的穩(wěn)定的輸出電壓VRCC。
根據(jù)本實施方式，象使用反沖起動器進行發(fā)動機的起動操作時那樣，在發(fā)動機的低旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，利用由發(fā)電機感應(yīng)的低電壓也能夠得到足夠的輸出電壓，可以確保用于使ECU上升的穩(wěn)定的電源。
另一方面，在發(fā)動機起動后，隨著轉(zhuǎn)數(shù)的上升，在從發(fā)電機產(chǎn)生了高輸出電壓之后，也可以通過使用N溝道FET的高速切換來限制輸出電壓，利用小型的自激振蕩型變流器進行高效率的運轉(zhuǎn)。
此外，包括本發(fā)明的降壓變流器的控制電源除了發(fā)動機發(fā)電機的ECU以外，可以作為發(fā)動機的扼流開度控制用電動機、點火裝置、電池充電用、發(fā)動機的起動器用電源等各種電源裝置來使用。
權(quán)利要求
1.一種降壓型DC-DC變流器，具有開關(guān)單元，其由連接直流電源的至少一個MOS晶體管構(gòu)成；至少一個電抗器，其在上述MOS晶體管接通的期間利用上述直流電源進行充電；輸出用電容器，其通過上述MOS晶體管和上述電抗器與上述直流電源連接，向負載供給電流；脈沖寬度調(diào)制電路，其輸入與該輸出用電容器的輸出電壓對應(yīng)的電壓，將預(yù)定占空比的脈沖信號施加到上述MOS晶體管的柵極上，上述MOS晶體管是N溝道型，在上述直流電源的負極側(cè)和上述輸出用電容器的負極側(cè)之間順序串聯(lián)連接上述N溝道型MOS晶體管和上述電抗器，在上述直流電源的正極側(cè)和負極側(cè)之間提供施加到上述N溝道型MOS晶體管的柵極上的脈沖信號的電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓型DC-DC變流器，上述脈沖寬度調(diào)制電路的脈沖信號是由與上述輸出用電容器的輸出電壓對應(yīng)的電壓形成的，通過絕緣電路將上述脈沖信號輸入到上述N溝道型MOS晶體管的柵極上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種降壓型DC－DC變流器。不用設(shè)置高于輸入電壓的特別的電壓電路，而使用N溝道型MOS晶體管構(gòu)成具有良好特性的DC－DC變流器。在直流電源的負極側(cè)和輸出用電容器(8)的負極側(cè)之間，串聯(lián)連接N溝道型MOS晶體管(11)和扼流線圈(12)。具有根據(jù)電阻(9、10)對輸入電壓的分壓向MOS晶體管(11)的柵極施加脈沖信號的PWM電路(14)。在直流電源的正極側(cè)和負極側(cè)之間提供向MOS晶體管(11)的柵極施加脈沖信號的電源。PWM電路(14)的脈沖信號是由與輸出用電容器(8)的輸出電壓對應(yīng)的電壓形成的，通過光電耦合器(16)將該脈沖信號輸入到N溝道型MOS晶體管(11)的柵極上。
文檔編號H02M3/04GK1677822SQ20051006377
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者稻川敏規(guī), 清水元壽, 上村健二 申請人:本田技研工業(yè)株式會社